CN110907171B

CN110907171B - 一种高分子齿轮耐久试验方法

Info

Publication number: CN110907171B
Application number: CN201911238505.0A
Authority: CN
Inventors: 刘怀举; 余国达; 高陈; 卢泽华
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: CN110907171A

Abstract

本发明公开了一种高分子齿轮耐久试验方法，包括步骤：1、对试验的高分子齿轮进行初始的检测和表征，2、把试验的高分子齿轮分为2组，将高分子齿轮装在耐久试验台上；3、对第1组高分子齿轮进行试验，确认试验的高分子齿轮已失效，记录下循环次数N和失效形式；4、对第2组高分子齿轮按阶段进行试验，对试验的高分子齿轮进行阶段性的检测和表征，直到齿轮发生失效为止，停止实验并记录失效形式和循环次数；5、对第2组高分子齿轮试验所测的阶段性数据与第1组、第2组两次耐久试验的寿命N进行数据分析；6、做出齿面接触应力σ _H与循环次数N的散点图，拟合得到高分子齿轮的SN曲线。本发明的试验结果能为高分子齿轮的使用提供依据。

Description

一种高分子齿轮耐久试验方法

技术领域

本发明属于齿轮疲劳寿命测试技术，具体涉及一种高分子齿轮耐久试验方法。

背景技术

高分子齿轮与钢制齿轮相比，具有加工成本低、噪音小、密度小、振动小、自润滑等优势，凭借其优点被广泛应用于打印机、智能家具、钟表、自动齿轮箱、小型发动机等领域。在工程应用，高分子齿轮通常被应用于不同工况下，如干接触、脂润滑、油润滑等。材料和工况对高分子齿轮的失效形式和服役性能影响很大，因此，需要一种***的耐久试验方法来探究高分子齿轮失效形式和服役性能，对建立高分子齿轮性能数据库和提高高分子齿轮产品耐久性、可靠性具有重要意义。

高分子齿轮是由聚甲醛树脂、聚醚醚酮、聚酮树脂、炭纤维、玻纤维等有机高分子材料制成的齿轮。目前尚未有一种测试高分子齿轮的失效形式和服役性能的耐久试验方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种高分子齿轮耐久试验方法，它能够记录高分子齿轮的失效历程，反映在不同材料和不同工况下的失效形式和服役性能。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、对试验的高分子齿轮进行初始的检测和表征，包括质量称量、齿廓总偏移量检测、齿面粗糙度表征、表面微观形貌观测和拍照记录；

步骤2、把试验的高分子齿轮分为2组，将高分子齿轮装在耐久试验台上，设定配对啮合齿轮的材料、输出扭矩、实验条件和输入转速；所述耐久试验台具有扭矩加载、温度在线监测和主轴振动在线监测的功能；

步骤3、对第1组高分子齿轮进行试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测，在跑合高分子齿轮的主轴振动加速度达到设定值时停机，确认试验的高分子齿轮已失效，记录下循环次数N和失效形式；

步骤4、将第1组试验得到的循环次数N分为至少3个阶段，分别记作N₁、N₂、…、N_n，n为阶段数，然后对第2组高分子齿轮按阶段进行试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测，在循环次数达到N₁、N₂、…、N_n各阶段时分别停机，对试验的高分子齿轮进行阶段性的检测和表征，直到齿轮发生失效为止，停止实验并记录失效形式和循环次数；

步骤5、对第2组高分子齿轮试验所测的阶段性数据与第1组、第2组两次耐久试验的寿命N进行数据分析，得到齿廓总偏移量F_α随寿命变化的柱状图、质量变化量Δm_i随寿命变化的曲线图、表面粗糙度Ra随寿命变化的柱状图和齿面点蚀、刮伤、热损伤的演化特征；

步骤6、在不同润滑条件或/和不同输出扭矩下试验，由循环次数N进行分析，做出齿面接触应力σ_H与循环次数N的散点图，利用最小二乘法对图中的点进行拟合得到高分子齿轮的SN曲线。

本发明的技术效果是：

1、建立了一种高分子齿轮耐久试验方法，填补了高分子齿轮疲劳寿命试验领域的空白；

2、不仅能够得到高分子齿轮的失效形式和服役性能，还能得到高分子齿轮在服役过程中的重要参数(齿廓总偏移量F_α、齿面粗糙度Ra等)演化规律；

3、能够得到高分子齿轮的疲劳寿命SN曲线，为高分子齿轮的使用提供依据。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本方法发明一种实施方式的技术路线图；

图2为实施例的第一组试验的失效形式与寿命形貌图；

图3为实施例中的齿廓总偏移量F_α与寿命N的柱状图；

图4为实施例中质量变化量与循环次数关系图；

图5为实施例中输出扭矩60Nm下粗糙度随寿命的柱状图；

图6为实施例中的输出扭矩60Nm下的齿面微观形貌演化特征图；

图7为实施例中的齿面接触应力σ_H与寿命N的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本方法发明一种实施方式的技术路线图参见图1所示，它包括以下步骤：

步骤1、对试验的高分子齿轮进行初始的检测和表征，包括质量的称量、齿廓总偏移量检测、齿面粗糙度表征、初始表面微观形貌观测和拍照记录。

用精度为0.001g的电子天平对高分子齿轮进行称量，称量3次并依次记录下，取3次称量的平均值记作m₀(单位为g)。用齿轮精度检测仪对高分子齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿，取5个齿齿廓总偏移量的平均值记作F_α0(单位为μm)。用微观形貌测量仪对高分子齿轮齿面的表面粗糙度Ra进行表征，依次选取5个轮齿，分别对齿顶区域和节线区域进行表征，将数据记录下后续用AFM等软件对其进行处理，得到5个齿面的粗糙度Ra，取5个齿面粗糙度的平均值记作Ra₀。用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测，依次选取5个齿，分别对齿顶区域和节线区域进行观测并拍照记录下来。

步骤2、把试验的高分子齿轮分为2组，将高分子齿轮装在耐久试验台上，设定配对啮合齿轮的材料、输出扭矩、实验条件和输入转速；所述耐久试验台具有扭矩加载、温度在线监测和主轴振动在线监测的功能。

步骤3、对第1组高分子齿轮进行试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测，在跑合高分子齿轮的主轴振动加速度达到设定值时停机，确认试验的高分子齿轮已失效，记录下循环次数N和失效形式。

上述跑合高分子齿轮的主轴振动加速度的设定值为0.1g，g是当地的重力加速度。停机将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗。观察高分子齿轮是否出现断齿，若出现断齿，则记录下循环次数N和失效形式。

若没有出现断齿，则观察齿面是否出现点蚀，若单个齿面点蚀面积超过整个齿面的50％则记录下循环次数N和失效形式。

若没有出现点蚀则用电子天平对高分子齿轮进行称量，称重三次并依次记录下，取三次称重的平均值m₁并与最初的质量m₀进行对比，若质量变化量Δm≥0.05m₀，其中Δm＝m₀-m₁，则记录下循环次数N和失效形式。

若质量变化量Δm<0.05m₀则用用齿轮精度检测仪对齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿，取5个齿齿廓总偏移量的平均值记作F_α1，ΔFα＝Fα_i-Fα_i-1，若齿廓总偏移量的变化量ΔF_α≥0.1S(其中S为分度圆处的齿厚

m是指高分子齿轮的模数，)则记录下循环次数N和失效形式。

若齿轮质量变化量Δm<0.05m₀且齿廓总偏移量的变化量ΔF_α<0.1S，则将高分子齿轮继续装配到耐久试验台上进行第2次跑合试验；重复试验过程，每次增加跑合高分子齿轮的主轴振动加速度，继续跑合。具体地，在跑合高分子齿轮的主轴振动加速度增加0.05g时停机，将高分子齿轮拆下来重复上述检测项目，若有其中一项达指标则记录下循环次数N和失效形式，以此类推，若没有失效，则进行第i次跑合试验，直到满足上述指标中的一项，并记录循环次数N和失效形式。

步骤4、将第1组试验得到的循环次数N分为至少3个阶段，分别记作N₁、N₂、…、N_n，n为阶段数，然后对第2组高分子齿轮按阶段进行试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测，在循环次数达到N₁、N₂、…、N_n各阶段时分别停机，对试验的高分子齿轮进行阶段性的检测和表征，直到齿轮发生失效为止，停止试验，并记录失效形式和循环次数。

以n＝5为例，各阶段试验的具体过程是：

当循环次数达到N₁时，停机将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗并进行阶段性检测和表征，用电子天平对齿轮进行称重，称重3次并依次记录下，取3次称重的平均值记作m₁。用齿轮精度检测仪对齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿，取5个齿齿廓总偏移量的平均值记作F_α1。用非接触式微观形貌测量仪对高分子齿轮齿面的表面粗糙度Ra进行表征，依次选取5个轮齿，分别对齿顶区域和节线区域进行表征，将数据记录下后续用AFM等软件对其进行处理，得到5个齿齿面的粗糙度Ra，取5个齿齿面粗糙度的平均值记作Ra₁。用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测，依次选取5个齿，分别对齿顶区域和节线区域进行观测并拍照记录下来。检测和表征完成后，将高分子齿轮装配到耐久试验台上进行第2次跑合试验，试验过程中同样用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测，进行温度记录，当循环次数达到N₂时，停机将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗并进行阶段性检测和表征，依次分别记作m₂，F_α2，Ra₂。检测和表征完成后，将高分子齿轮装配到耐久试验台上进行第3次跑合试验。以此类推，直到循环次数达到N₅为止，停机将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗并进行阶段性检测和表征，依次分别记作m₅，F_α5，Ra₅。

在试验过程中可能存在某些不确定的因素使得第2组齿轮的循环次数N_i低于或者超过第1组齿轮的循环次数N。

当N_i<N_n时，i＜n，停机将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗，计算Δm_i＝m_i-m₀，ΔFα_i＝Fα_i-Fα_i-1，确认试验的高分子齿轮已失效，记录下此时的循环次数N_i和失效形式，并进行阶段性的检测和表征，依次分别记作m_i，F_αi，Ra_i，i<n，停止试验。

当N_i>N_n时，i>n，重复试验过程，每次增加跑合高分子齿轮的主轴振动加速度，继续跑合。在跑合高分子齿轮的主轴振动加速度增加值时停机，对试验的高分子齿轮进行阶段性检测和表征；依次重复下去，计算Δm_i＝m_i-m₀，ΔFα_i＝Fα_i-Fα_i-1，确认试验的高分子齿轮已失效，记录下循环次数N_i和失效形式；并进行阶段性检测和表征，依次分别记作m_i，F_αi，Ra_i，停止试验。

上述跑合高分子齿轮的主轴振动加速度增加值为0.05g。

步骤5、对第2组高分子齿轮试验所测的阶段性数据与第1组、第2组两次耐久试验的寿命N进行数据分析，得到齿廓总偏移量F_α随寿命变化的柱状图、质量变化量Δm_i随寿命变化的曲线图、表面粗糙度Ra随寿命变化的柱状图和齿面点蚀、刮伤、热损伤的演化特征。所述数据分析如下：

利用数学分析软件Origin对F_α1、F_α2、…、F_αi进行分析，做出齿廓总偏移量F_α随寿命变化的柱状图，得到齿廓总偏移量的变化量ΔF_αi在整个寿命周期中的变化趋势；

对m₁、m₂、…、m_i进行分析，做出质量变化量Δm_i随寿命变化的曲线图，可以得到质量变化量Δm_i在整个寿命周期中的变化规律；

齿廓总偏移量的变化量ΔF_αi和质量变化量Δm_i能可靠地反映高分子齿轮在整个寿命过程中的磨损情况。

对Ra₁、Ra₂、…、Ra_i进行分析，做出表面粗糙度Ra随寿命变化的柱状图，得到高分子齿轮在整个寿命周期中齿面表面质量演化规律。

对比分析在每一个寿命阶段用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测的照片，可以得到齿面微观形貌(如点蚀、刮伤、热损伤等)的演化特征。

实施例

本实施例选3mm模数的POM齿轮进行耐久试验，获得齿轮的失效形式和服役性能。

步骤1、对POM齿轮进行初始的检测和表征。

称重3次并依次记录下，取3次称重的平均值m₀。用齿轮精度检测仪对齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿。用非接触式微观形貌测量仪对高分子齿轮齿面的表面粗糙度Ra进行表征，依次选取5个轮齿，分别对齿顶区域和节线区域进行表征，将数据记录下后续用AFM软件对其进行处理。用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测，依次选取5个齿，分别对齿顶区域和节线区域进行观测并拍照记录下来。

步骤2、高分子齿轮的材料为POM齿轮，分为2组，确定试验配对啮合齿轮的材料、试验条件、输出扭矩、输入转速，数据见表1：

表1 POM齿轮耐久试验基本信息

试验台选用的是多用途传动摩擦学实验台CQU-AMH-195上进行的，该试验台扭矩加载范围为0～200Nm，具备温度在线监测、主轴振动在线监测等基本功能。

步骤3、对第1组高分子齿轮进行试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测。在跑合高分子齿轮的主轴振动加速度达到设定值0.1g时停机，将高分子齿轮拆卸下来，在超声波清洗机中用工业无水酒精对其进行清洗。发现在齿顶与节线之间区域出现了断齿，记录失效形式和循环次数，试验结果如图2所示，从图2看出：POM齿轮的失效形式为轮齿在节线与齿顶区域发生疲劳断裂，随着负载扭矩的增大POM齿轮的失效形式并没有发生改变，说明在油润滑条件下负载的变化不会改变POM齿轮的失效形式

步骤4、将4组扭矩下的寿命N划分为N₁、N₂、N₃、N₄、N₅五个阶段，进行第2组齿轮耐久试验，在试验过程中用红外热传感器对跑合齿轮的温度进行连续检测。每达到一个阶段将齿轮拆下进行阶段性的检测和表征，直到齿轮发生失效为止，停止实验并记录失效形式和循环次数。

步骤5、进行数据处理，利用数学分析软件Origin对4种输出扭矩下的F_α1、F_α2、…、F_αi进行分析得到齿廓总偏移量F_α与寿命N的柱状图，如图3所示，从图3中可以看出：在60Nm、40Nm的输出扭矩下，POM齿轮承载面齿廓总偏差F_α从最初到失效呈现出微小的增长趋势，当载荷水平很大时，在很短的时间内，偏差可能高达70μm以上。

图4为质量变化量Δm_i随寿命变化图，从图4中可以看出随着循环次数的增加，质量变化量微小幅度的增加，说明齿面出现了微小的磨损。

图5为输出扭矩60Nm下表面粗糙度Ra随寿命变化的柱状图，从图5中可以看出随着循环次数的增加，齿面的平均粗糙度在逐渐增大。

将60Nm的表面微观形貌图进行对比，得到输出扭矩60Nm下齿面微观形貌演化图，如图6所示。从图6中可以看出，在60Nm的输出扭矩下，最初整个齿面分布着大量的沿齿宽方向的机加工切削痕。当POM齿轮运转到1.4×10⁶转时，齿顶区域的机加工切削痕逐渐被磨平，节线区域的机加工切削痕依然清晰可见；POM齿轮在2.6×10⁶时发生失效，但在图中可以看出节线区域还有少许机加工切削痕。

步骤6、对4种输出扭矩下的循环次数N进行分析，得到齿面接触应力σ_H与寿命N的散点图，通过最小二乘法拟合，得到SN曲线如图7所示。拟合公式为：

值得注意的是，该公式仅适用于油润滑条件下POM齿轮对钢制齿轮。如果齿轮尺寸、制造工艺、配合材料类型或润滑状态发生变化，则可能不再有效。

Claims

1.一种高分子齿轮耐久试验方法，其特征是，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是，所述的高分子齿轮的检测和表征为：用天平对高分子齿轮进行称量，称量3次并依次记录下，取3次称量的平均值；用齿轮精度检测仪对高分子齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿，取5个齿齿廓总偏移量的平均值；用微观形貌测量仪对高分子齿轮齿面的表面粗糙度Ra进行表征，依次选取5个轮齿，分别对齿顶区域和节线区域进行表征，将数据记录下后续用软件AFM对其进行处理，得到5个齿面的粗糙度Ra，取5个齿面粗糙度的平均值；用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测，依次选取5个齿，分别对齿顶区域和节线区域进行观测并拍照记录下来。

3.根据权利要求2所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：在步骤3中，所述跑合高分子齿轮的主轴振动加速度的设定值为0.1g，g是当地的重力加速度。

4.根据权利要求3所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：在步骤4中，阶段数n＝5。

5.根据权利要求1至4任一所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是，在步骤3和步骤4中，确认试验的高分子齿轮失效的情形有：

1)、高分子齿轮是否出现断齿，若出现断齿，则高分子齿轮失效；

2)、若没有出现断齿，则观察齿面是否出现点蚀，若单个齿面点蚀面积超过整个齿面的50％，则高分子齿轮失效；

3)、若没有出现点蚀则用电子天平对高分子齿轮进行称量，称重三次并依次记录下，取三次称重的平均值m_i并与最初的质量m₀进行对比，若质量变化量Δm_i≥0.05m₀，其中Δm_i＝m_i-m₀，i为试验次数，则高分子齿轮失效；

4)、若质量变化量Δm_i<0.05m₀，则用齿轮精度检测仪对齿轮的齿廓总偏移量F_α进行检测，依次测量5个齿，取5个齿齿廓总偏移量的平均值记作F_αi，ΔFα_i＝Fα_i-Fα_i-1，若齿廓总偏移量的变化量ΔFα_i≥0.1S，其中S为分度圆处的齿厚，则高分子齿轮失效。

6.根据权利要求5所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：在步骤3中，在齿轮质量变化量Δm<0.05m₀且齿廓总偏移量的变化量ΔF_α<0.1S的情况下，则将高分子齿轮继续装配到耐久试验台上进行第2次跑合试验；重复试验过程，每次增加跑合高分子齿轮的主轴振动加速度，继续跑合，直到齿轮发生失效。

7.根据权利要求6所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：所述跑合高分子齿轮的主轴振动加速度增加值为0.05g。

8.根据权利要求5所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：在步骤4中，当N_i＞N_n时，i＞n，重复试验过程，每次增加跑合高分子齿轮的主轴振动加速度，继续跑合，直到齿轮发生失效。

9.根据权利要求8所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：所述跑合高分子齿轮的主轴振动加速度增加值为0.05g。

10.根据权利要求8所述的高分子齿轮耐久试验方法，其特征是：在步骤5中，所述数据分析如下：

利用数学分析软件Origin对F_α1、F_α2、...、F_αi进行分析，做出齿廓总偏移量F_α随寿命变化的柱状图，得到齿廓总偏移量的变化量ΔF_αi在整个寿命周期中的变化趋势；

对m₁、m₂、...、m_i进行分析，做出质量变化量Δm_i随寿命变化的曲线图，得到质量变化量Δm_i在整个寿命周期中的变化规律；

对Ra₁、Ra₂、...、Ra_i进行分析，做出表面粗糙度Ra随寿命变化的柱状图，得到高分子齿轮在整个寿命周期中齿面表面质量演化规律；

对比分析在每一个寿命阶段用光学显微镜对高分子齿轮的齿面形貌进行观测的照片，得到齿面微观形貌的演化特征。